Эмерджентные свойства магнитных ионов и наночастиц в мицеллярных растворах ПАВ

Цель исследования. Сообщить об эмерджентных (неожиданных) свойствах магнитных материалов по сравнению с ожидаемыми при получении их в водных мицеллярных растворах ПАВ (водных квантовых материалах). 

Методы. Химический синтез магнитных наночастиц в водных мицеллярных растворах ПАВ различной природы. Характеризация магнитных растворов и наночастиц методами магнитных измерений, спектроскопии, дифрактометрии, малоугловой рентгеновской дифракции, сканирующей зондовой микроскопии  и др.

Результаты. Термин «водный квантовый материал» относится к материалам (мицеллярным растворам), свойства которых в основном определяются ядерным квантовым эффектом в макроскопических масштабах (эмерджентное свойство) и которые демонстрируют явления и функциональные возможности,  не ожидаемые в классической теории мицеллобразования. Ядерный квантовый эффект описан в статьях  и патентах  авторов и есть мейнстрим современного  научного направления. В статье подробно представлены экспериментально подтвержденные эмерджентные свойства магнитных материалов, полученных в водных мицеллярных растворах ПАВ. В частности, ионы Gd³⁺ в водно-мицеллярном  растворе  додецилсульфата натрия (ДСН) проявляют парамагнитные свойства, а в жидких кристаллах  (CH3COO^-)3Gd³⁺−вода−ундекан – ферромагнитные свойства. Гибридные наночастицы Gd/Pt, получаемые  в квантовом материале с хлоридом цетилпиридиния (ЦПХ) Pt-Gd, проявляют аномальные магнитные свойства. Наноразмерные порошки феррита кобальта и феррита никеля, получаемые  в мицеллярном растворе додецилсулфата натрия, обладают суперпарамагнитными свойствами, что характерно для магнитных наноматериалов.

Заключение. Синтез наночастиц в квантовом материале открывает возможность восстановления  ионов разных знаков за одну стадию при переработке отходов металлургии с целью получения наночастиц различных металлов и их композитов. Магнитные наночастицы, получаемые в квантовом материале ПАВ, самоорганизуются на различных подложках, что позволяет создавать материалы, остаточная намагниченность и коэрцитивное поле которых можно регулировать при комнатных температурах. 

1. Synthesis of gadolinium nanoscale metal−organic framework with hydrotropes: manipulation of particle size and magnetic resonance imaging capability / Wilasinee Hatakeyama, Talia J. Sanchez, Misty D. Rowe [et al.] // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2011. Vol. 3, no. 5. P. 1502-1510.

2. Lu A. H., Salabas E. L., Schüth F. Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, functionalization and application // Angewandte Chem. 2007. Vol. 46, no. 8. P. 1222-1244.

3. Surfactant-controlled size and shape evolution of magnetic nanoparticles / Gyu Leem, Subhasis Sarangi, Shishan Zhang [et al.] // Cryst. Growth Des. 2009. Vol. 9. P. 32-34.

4. Thermosensitive polymer (N-isopropylacrylamide) coated nanomagnetic particles: Preparation and characterization / N. Shamim, L. Hong, K. Hidajat [et al.] // Colloids Surfaces B: Biointerfaces. 2007. Vol. 55, no. 1. P. 51-58.

5. Синтез наночастиц основного ацетата меди (II) в мицеллярных водных растворах и их самоорганизация в пленочных структурах / Н. А. Борщ, Н. В. Кувардин, Л. С. Агеева [и др.] // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. Т. 10, № 4. С. 137-158.

6. Surfactants and Polymers in Aqueous Solution / Krister Holmberg, Bo Jönsson, Bengt Kronberg [et al.]. 2th ed. Wiley, UK, 2003. 568 p.

7. Magnetic properties of Gd (III) in aqueous micellar systems / Yu. A. Mirgorod, A. S. Chekadanov,

8. A. M. Yanushkevich [et al.] // Magnetohydrodynamics. 2018. Vol. 54 (3). P. 299-308. 8. Пат. 2369466 Рос. Федерация, МПК B22F 9/24, B82B 3/00. Способ получения наночастиц металлов или гибридов наночастиц металлов / Миргород Ю. А., Борщ Н. А. № 2008107359/02; заявл. 26.02.2008; опубл. 10.10.2009, Бюл. № 28.

9. Получение и характеризация хлопчатобумажной ткани, модифицированной наночастицами меди / Ю. А. Миргород, Н. А. Борщ, В. Г. Бородина, Г. Ю. Юрков // Химическая промышленность. 2012. Т. 89, № 6. С. 310-316.

10. Vorobiova I. G., Borshch N. A., Mirgorod Yu. A. The structure of Mn and Co nanoparticles obtained in direct surfactant micelles // Journal of Nano- and Electronic Physics. 2017. Vol. 9, no. 5. Р. 050361-05036-4.

11. Geesink H. J. H., Jerman I., Meijer D. K. F. Water, the cradle of life via its coherent quantum frequencies // Water. 2020. Vol. 11. P. 78-108.

12. Contrast Agents I: Magnetic Resonance Imaging / ed. by W. Krause. Vol. 1. Heidelberg: Springer, Berlin, 2002. 249 p.

13. Salt C., Lennox A. J., Takagaki M. Boron and gadolinium neutron capture therapy // Rus. Chem. Bull. Intern. ed. 2004. Vol. 53, no. 9. P. 1871-1888.

14. Tokura Y., Kawasaki M., Nagaosa N. Giant topological Hall effect in correlated oxide thin films // Nature Phys. 2017. Vol. 13. P. 1056-1068.

15. Пат. 2730433 Рос. Федерация, МПК G01N 23/20, G01N 25/48, СПК G01N 23/20. Способ измерения параметров фазового перехода жидкость-жидкость и мицеллообразования / Миргород Ю. А., Емельянов С. Г., Пугаческий М. А. № 2020102208; заявл. 02.03.2020; опубл. 21.08.2020, Бюл. №24.

16. Пат. 2720399 Рос. Федерация, МПК G01N 25/02, G01N 25/48, G01K 17/00. Способ измерения параметров фазового перехода жидкость-жидкость / Миргород Ю. А. № 2019130369; заявл. 26.09.2019; опубл. 29.04.2020, Бюл. № 13.

17. Mirgorod Yu. A. Quantum nuclear effect in aqueous ionic surfactant and polyelectrolytes solutions // Bio-Inspired Nanomaterials - Nature Conferences. Seoul, South Korea, 2021. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.32364.08325.

18. Mirgorod Yu. A., Chekadanov A. S., Storogenko A. M. Supplementary information for nuclear quantum effect in aqueous micellar surfactant solutions // Content uploaded by Yuri Mirgorod. URL: http://www.researchgate.net/publication/359368949 (дата обращения: 02.09.2022). https://doi.org/10.13140/RG.2.2.20090.98242.

19. Синтез наночастиц на основе гадолиния в системе прямых мицелл ПАВ и исследование их магнитных свойств / Ю. А. Миргород, Н. А. Борщ, А. А. Реутов, Г. Ю. Юрков, В. М. Федосюк // Журнал прикладной химии. 2009. Т. 82, № 8. С. 1261-1267.

20. Small-angle X-ray scattering study of metal nanoparticles prepared by photoreduction in aqueous solutions of sodium dodecyl sulfate / Masafumi Harada, Kenji Saijo, Naoki Sakamotoet [et al.] // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2009. Vol. 345. P. 41-50.

21. Структура и магнитные свойства наночастиц феррита кобальта, синтезированных в системе прямых мицелл амфифилов с использованием ионной флотоэкстракции / Ю. А. Миргород, Н. А. Борщ, В. М. Федосюк, Г. Ю. Юрков // Журнал физической химии. 2012. Т. 86, № 3. С. 489-495.

22. Магнитные свойства наночастиц феррита никеля, полученных флотоэкстракционным методом / Ю. А. Миргород, Н. А. Борщ, В. М. Федосюк, Г. Ю. Юрков // Неорганические материалы. 2012. Т. 48, № 12. С. 1375-1380.

23. Hansen M. F., Morup S. J. Estimation of blocking temperatures from ZFC/FC curves // Magn. Mater. 1999. Vol. 203. P. 214-216.

24. Получение наноматериалов из водных растворов, моделирующих отходы гидрометаллургии / Ю. А. Миргород, Н. А. Борщ, Г. Ю. Юрков // Журнал прикладной химии. 2011. Т. 84, № 8. С. 1249-1253.

25. Миргород Ю. А., Емельянов С. Г. Комплексная технология получения наноматериалов из бедных руд и отходов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2015. № 1. С. 153-162.

26. Kirsten B. M., Kirsten P., Sarah P. Soft Magnets from the self-organization of magnetic nanoparticles in twisted liquid crystals // Angewandte Chem. 2014. Vol. 53. P. 46.

27. Lisiecki I. From the Co Nanocrystals to Their Self-organizations: towards ferromagnetism at room temperature // Acta phys. Polonica. A 2012. Vol. 121, no. 2. P. 426-433.

28. Self-organization of fept nanoparticles on photochemically modified diblock copolymer templates / S. B. Darling, N. A. Yufa, A. L. Cisse [et al.] // Adv. Mater. 2005. Vol. 17. P. 2446-2450.

29. Rusanov A. I., Nekrasov A. G. One more extreme near the critical micelle concentration: optical activity // Langmuir. 2010. Vol. 26. P. 13767-13769.

30. Farinato R. S., Rowell R. L. Transient light scattering in aqueous surfactant systems // J. Colloid and Interface Sci. 1978. Vol. 66. P. 483-489.

31. Mohd Yusof N. S. The effect of sonication on the ion exchange constant, kxbr of ctabr/chlorobenzoates micellar systems // Ultrasonics Sonochemistry. 2021. Vol. 71. P. 105360.

32. On the existence of two states in liquid water: impact on biological and nanoscopic systems / L. M. Maestro, M. I. Marqués, E. Camarillo [et al.] // Int. J. Nanotech. 2016. Vol. 13. P. 89. https://doi.org/10.1504/IJNT.2016.079670.

33. Spirin M. G., Brichkin S. B., Razumov V. F. Diffusion-controlled adsorption kinetics at the interface between air and aqueous micellar solution of heptaethylene glycol monododecyl ether // Colloid Journal. 2013. Vol. 75, no. 4. P. 427-432.

34. Hongyou Fan, Leve E. W., Scullin C. Surfactant-assisted synthesis of water-soluble and biocompatible semiconductor quantum dot micelles // Nano Lett. 2005. Vol. 5, no. 4. P. 645-648.

35. Rusanov A. I., Krotov V. V., Nekrasov A. G. Extremes of some foam properties and elasticity of thin foam films near the critical micelle concentration // Langmuir. 2004. Vol. 20, no. 4, P. 1511-1516. https://doi.org/10.1021/la0358623.